文　亮，陳　眾，廖九林

(長沙理工大學(xué) 湖南省智能電網(wǎng)運行與控制重點實驗室,湖南長沙410004)

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基于多Agent技術(shù)的主動配電網(wǎng)保護方案

文亮，陳眾，廖九林

(長沙理工大學(xué) 湖南省智能電網(wǎng)運行與控制重點實驗室,湖南長沙410004)

摘要：分布式電源(DG)接入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致原有保護裝置出現(xiàn)拒動和誤動等問題。提出了一種針對主動配電網(wǎng)且根據(jù)故障電流信號的多Agent保護方案。該方案采用三級代理的控制結(jié)構(gòu)，底層代理負(fù)責(zé)信息采集，決策層代理負(fù)責(zé)故障定位，頂層負(fù)責(zé)全網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控。通過分析多分支節(jié)點電流故障分量相角特點和線路兩端故障前后電流相角的突變方向，提出了兩類決策單元的故障判定矩陣算法。該方法運用了廣域故障信息，不僅能夠提供主保護，還能為相鄰線路和設(shè)備提供后備保護。最后，通過仿真分析結(jié)果證明該方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：主動配電網(wǎng)；多Agent技術(shù)；繼電保護； 矩陣算法

0引言

隨著世界能源的不斷緊張以及環(huán)境問題的日益加重，分布式發(fā)電(DG)技術(shù)作為一種新型的能源開發(fā)技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。DG作為一種容量小、分散、模塊化的發(fā)電設(shè)備，可以向負(fù)荷和電網(wǎng)進行供電，通常不經(jīng)過變壓器直接與低壓配電網(wǎng)進行連接[3]。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為輻射型單電源網(wǎng)絡(luò)，保護策略采用重合閘-熔斷器的過電流保護策略[4-5]，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時，運用配網(wǎng)自動化信息進行故障定位。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)保護和故障定位都是基于單電源的單向潮流特點，但分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)后，改變了原有網(wǎng)絡(luò)單向潮流的特性，使得配電網(wǎng)變成多電源的復(fù)雜系統(tǒng)，給配電網(wǎng)絡(luò)保護帶來了新的問題[6-7]。

針對上述問題，文獻[8]總結(jié)了應(yīng)對DG接入配電網(wǎng)的5種方案：(1)配電網(wǎng)故障時退出DG單元；(2)限制配電網(wǎng)中DG的接入位置和接入容量；(3)限制DG接入點故障電流；(4)改變配電網(wǎng)原有保護方案；(5)采用多級代理智能保護。文獻[9]根據(jù)故障分量電流相位特點提出了無需電壓信息的方向元件。文獻[10]提出根據(jù)故障前后故障電流與負(fù)荷電流相角的突變方向來判斷線路是否發(fā)生故障。文獻[11]論證了多Agent技術(shù)應(yīng)用在繼電保護中的可行性。

基于此，本文中提出了基于多Agent技術(shù)的主動配電網(wǎng)保護策略。該方法通過對廣域故障信息進行綜合分析，以確定故障線路，從而提高了保護的靈活性和準(zhǔn)確性。同時，各層次和各Agent單元之間的相互配合為網(wǎng)絡(luò)提供后備保護，確保了整個系統(tǒng)的安全可靠性。

1多Agent保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

多Agent系統(tǒng)是人工智能DAI(Distribution Artificial Intelligence)研究的前沿領(lǐng)域，它不僅具備一般分布式系統(tǒng)所具有的資源共享、易于擴張、可靠性強、靈活性強、實用性好的特點，而且各Agent能夠通過相互協(xié)調(diào)解決大規(guī)模的復(fù)雜問題，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性、可靠性和自組織能力[11]103。配電網(wǎng)中保護單元分散的分布在整個配電網(wǎng)絡(luò)中，因此分層、分布和集中的保護結(jié)構(gòu)適用于配電網(wǎng)[12]。文中保護系統(tǒng)的Agent單元根據(jù)其職責(zé)進行分層和分類，保護系統(tǒng)由上而下分成中央管理層、區(qū)域管理層和本地執(zhí)行層，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　多Agent保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

中央管理層：實時監(jiān)控和協(xié)調(diào)各Agent單元，各區(qū)域內(nèi)電氣量的實時顯示，故障時間的記錄和各種保護定值的修改。

區(qū)域管理層：正常運行時，用于檢測本區(qū)域內(nèi)Agent單元的運行狀態(tài)，形成區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣。故障后，根據(jù)預(yù)定算法判斷故障線路。根據(jù)控制對象不同又分為A類決策單元和B類決策單元。

本地執(zhí)行層：正常運行時，采集電氣量和開關(guān)狀態(tài)等信息。故障后，對故障信息進行初處理以及執(zhí)行管理層傳達的操作命令。根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同又可分為：Agent_A，裝設(shè)于多分枝節(jié)點處；Agent_B裝設(shè)于2分支節(jié)點處，在網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖2所示。

圖2　兩類不同Agent單元在配電網(wǎng)中的位置

2A類決策單元故障判定算法

2.1正序電流故障分量的相角特點

假設(shè)圖2中線路AB上的f點發(fā)生故障，由于無論發(fā)生哪種類型的故障，網(wǎng)絡(luò)中都存在正序分量，由此忽略負(fù)荷影響的前提下可畫出正序故障分量網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3　正序故障分量網(wǎng)絡(luò)

一般設(shè)定電流的正方向為母線流向線路，則流過節(jié)點A上各支路的正序電流故障分量為：

(1)

一般近似認(rèn)為線路的阻抗Z的阻抗角為70°～85°，由式(1)可畫出故障支路電流故障分量Ia與非故障支路電流故障分量之間的相位關(guān)系，如圖4所示。

圖4　各支路電流故障分量相角關(guān)系

由圖4可知，故障線路中流過的電流故障分量的相位與其他非故障線路流過的電流故障分量的相位相反，并且幅值也最大。因此，可利用母線上各支路流過的電流故障分量的相角關(guān)系來區(qū)分故障支路和非故障支路，而幅值大小可以用來輔助判斷。

另外當(dāng)母線發(fā)生故障時，所有連接在母線上支路的電流故障分量的相角近似相同，運用這個特點可以用來判斷母線是否發(fā)生故障。

2.2A類決策單元故障判定矩陣算法

用矩陣D1描述網(wǎng)絡(luò)中各Agent_A單元的連接關(guān)系：

D1中各元素的定義為：(1)主角線上的元素Aii用于描述編號為i的Agent_A單元的工作狀態(tài)，當(dāng)Aii=1時Agent單元正常工作，當(dāng)Aii=0時Agent單元故障或退出工作。(2)非對角元素Aij表示Agent單元i和j的相鄰關(guān)系，當(dāng)Aij=1時表示相鄰，當(dāng)Aij=0時表示不相鄰。

網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定以母線為界，將網(wǎng)絡(luò)分為電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)，當(dāng)電源側(cè)支路發(fā)生故障時稱為上游支路故障，負(fù)荷側(cè)發(fā)生故障時稱為下游支路故障。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某點發(fā)生故障后，每個Agent_A單元根據(jù)正序故障電流相角特點判斷出故障方向和故障支路，并將故障方向信息F發(fā)送給區(qū)域決策單元。

區(qū)域決策單元根據(jù)故障信息F形成故障信息矩陣G1。再利用故障信息矩陣G1對描矩陣D1進行修正得到故障判斷矩陣Dp。修正原則為：對D1中每行不為零的元素用故障信息矩陣中元素進行替換，為零的元素保持不變。

通過故障判斷矩陣Dp對故障區(qū)段的判斷方法如下：

(1)判斷主對角元素Aii是否為零，若Aii=0則直接判斷為母線故障，向該母線上的支路斷路器發(fā)出跳閘命令。

(2)若Aii≠0，用每行的主對角元素與非對角元素中的非零元素求異或，找出Aii?Aij=1的區(qū)域作為故障待選區(qū)域。

(3)本地Agent_A單元根據(jù)故障線路編號對故障區(qū)段進行最終的判定，得到故障區(qū)域。

3B類Agent單元的故障判定算法

3.1故障前后線路兩端電流相角的突變方向

圖2中f點發(fā)生故障，對于AB線路可以用圖5所示網(wǎng)絡(luò)進行等效。電網(wǎng)1和電網(wǎng)2分別代表該條線路兩端的配電網(wǎng)，Ipre表示正常情況下的負(fù)荷電流。假設(shè)線路功率流動的正方向為A端流向B端[13]；電流正方向為母線流向線路。當(dāng)系統(tǒng)由非故障狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)時，節(jié)點A和B端的電壓相角變化一般較小，約在0.2°～0.5°之間[14]，因此可以近似看成故障前后電壓的相角不發(fā)生變化。

圖5　雙端口網(wǎng)絡(luò)等效圖

網(wǎng)絡(luò)的正序分量等效圖如圖3，由此可知流過線路AB兩端斷路器的正序電流故障分量為：

(2)

以f點的電壓相角為參考點，假設(shè)線路兩側(cè)系統(tǒng)的等效阻抗和線路阻抗相等[15]，并且忽略線路中的電阻，可得到電壓電流相位關(guān)系如圖6。

圖6　電壓電流相量圖

從圖6可以看出，流過保護A的故障電流I1滯后負(fù)荷電流Ipre1；流過保護B的故障電流I2超前負(fù)荷電流Ipre2。因此，在假設(shè)功率流動方向為從M節(jié)點到N節(jié)點條件下，可以得出：線路發(fā)生故障后流過一端保護A的電流相角突變量ΔφA<0°;另一端保護B的電流相角突變量ΔφB>0°。

上述結(jié)論是基于功率流向為A節(jié)點流向B節(jié)點。但是，因為分布式電源多采用的是風(fēng)能、太陽能等間歇性能源，可能在運行過程中功率的流向發(fā)生改變(由B點流向A點)。同樣的分析方法，可得出結(jié)論：流過一端保護A的電流相角突變量ΔφA>0°;另一端保護B的電流相角突變量ΔφB<0°。

3.2B類決策單元故障判定矩陣算法

根據(jù)節(jié)2中判斷得出的故障區(qū)域，形成區(qū)域內(nèi)Agent單元的描述矩陣D2。

D2中各元素的定義為：(1)A代表區(qū)域兩端終節(jié)點，B代表區(qū)域內(nèi)的節(jié)點；(2)Ai表示Agent_A單元的工作狀態(tài)，Ai=1時Agent_A正常工作，Ai=0時Agent_A故障或退出運行；(3)Bi表示Agent_B單元的工作狀態(tài)，Bi=1時Agent_B正常工作，Bi=0時Agent_B故障或退出運行；(4)Dij表示Agent單元i，j之間的相鄰關(guān)系，Dij=1時表示相臨，Dij=0時表示不相臨。

判定區(qū)域內(nèi)所有Agent單元故障電流與負(fù)荷電流相角的突變方向，并對描述矩陣D2進行修正得到故障判定矩陣Dq。修正原則為：(1)若Dij支路上正序故障電流超前于負(fù)荷電流則Dij=1，滯后則取Dij=0；(2)若Dij支路無負(fù)荷電流流過則取Dij=-1。

根據(jù)故障判定矩陣Dq判斷故障線路的具體方法如下：

(1)故障判斷矩陣Dq中，若Dij≠-1且Dij?Dji=1，則節(jié)點i，j間的線路為故障線路；如果Dij≠-1且Dij?Dji=0，則節(jié)點i，j間的線路為非故障線路；如果Dij=-1且Dji=-1，則說明節(jié)點i，j之間的線路沒有負(fù)荷電流流過。

(2)若Dij=-1且Dji=-1，則先不對該線路進行相位比較，等待別的線路判斷完成后再進行判斷。

(3)若本地Agent_A或Agent_B發(fā)生故障，則將其Dij的值都置為-1，當(dāng)無負(fù)荷電流的節(jié)點進行討論。

4仿真分析

利用MATLAB仿真軟件搭建如圖7所示配電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為500 MVA，基準(zhǔn)電壓為10.5 kV。線路均采用架空線路，線路參數(shù)為x1=0.347 Ω/km，r1=0.27 Ω/km，各段線路長度如表1所示。所有分布式電源容量取1 MVA，負(fù)載設(shè)為(3+j0.6)MVA。

圖7　某含DG的配電網(wǎng)絡(luò)

線路名稱(A1,A2)(A2,A5)(A5,B3)(A2,B1)長度/km2462(B1,B2)(B2,A4)(A1,A3)(A3,B4)(B4,A6)44624

假設(shè)圖7中f點發(fā)生故障，流過保護7，21，22的故障電流由主電網(wǎng)、DG1、DG2、DG3共同提供，故障電流值較無DG接入時有所增大，若仍采用傳統(tǒng)三段式電流保護，則保護7，21可能出現(xiàn)誤動。保護23，24分別位于母線B2進線側(cè)和出線側(cè)，當(dāng)故障發(fā)生后流過的故障電流大小基本相同，若采用傳統(tǒng)電流幅值判定方法，保護24將可能出現(xiàn)誤動。

采用本文提出的故障判定方法可形成Agent_A單元的描繪矩陣D1：

流過各Agent_A單元內(nèi)各支路正序電流故障分量以及對故障方向的判定結(jié)果如表2所示。

由表2可形成故障信息矩陣G1=[-1,-1,1,1,1,1]，并用其對D1進行修正得到故障判定矩陣Dp。

表2　電流故障分量值

根據(jù)故障判斷矩陣Dp初步判斷故障區(qū)域為：(A1，A3)，(A2，A5)，(A2，A4)。區(qū)域管理單元向不可能故障區(qū)域的本地Agent單元發(fā)出保護閉鎖信號，對可能發(fā)生故障的區(qū)域發(fā)出確認(rèn)信號，本地Agent單元根據(jù)故障支路信息，判斷最終的故障區(qū)域為(A2，A4)。

根據(jù)區(qū)域(A2，A4)網(wǎng)絡(luò)形成區(qū)域描繪矩陣D2：

(A2，A4)區(qū)域內(nèi)各斷路器故障前后流過正序電流如表3所示。

由表2可得故障信息矩陣G2=[-1,-1,-1,1,1,1]，并運用G2對D2進行修正得到故障判斷矩陣Dq。

表3　正序電流分量值

在故障判斷矩陣Dq中找出Dij?Dji=1的元素，可以判斷出故障發(fā)生在線路B1B2上。

5結(jié)論

文中提出基于多Agent技術(shù)利用廣域故障信息將配電網(wǎng)保護系統(tǒng)分為3個層次：底層單元根據(jù)其安裝的位置分為Agent_A和Agent_B；管理決策單元根據(jù)管理對象不同又分為A類決策單元和B類決策單元，并分別提出了兩類決策單元故障判定矩陣算法。系統(tǒng)中各Agent單元與各層次之間可進行通信，相互協(xié)調(diào)配合，不僅為配電網(wǎng)提供主保護，而且為相鄰線路或設(shè)備提供后備保護。該保護策略原理簡單、計算量小、可靠性高，可避免因分布式電源接入引起的傳統(tǒng)保護的不足。

參考文獻:

[1]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)述評[J].中國電機工程學(xué)報,2009,34(22):1-8.

[2]徐丙垠,張海臺,咸日常.分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護的影響及評估方法[J].電力建設(shè),2015,36(1):142-147.

[3]王澤民,張新慧,蔡艷春,等.有源配電網(wǎng)分布式智能電流保護方案[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,29(5):43-48.

[4]王江海,邰能靈,宋凱,等.考慮繼電保護動作的分布式電源在配電網(wǎng)中的準(zhǔn)入容量研究[J].中國電機工程學(xué)報,2010,13(22):37-43.

[5]司新躍,陳青,馬杰.有源配電網(wǎng)跳閘閉合域的確定方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(10):2979-2985.

[6]馬其燕,秦立軍.智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代電力,2010,27(2):39-44.

[7]趙冬梅,張東英,徐開理,等.分層分布式電網(wǎng)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電力,2001,20(3):41-46.

[8]尚瑨,邰能靈,劉琦,等.考慮分布式電源的配電網(wǎng)保護改進方案研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012, 40(24):40-45,52.

[9]劉凱,李幼儀.主動配電網(wǎng)保護方案的研究[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(16):2584-2590.

[10]司新躍,陳青,高湛軍,等.基于電流相角突變量方向的有源配電網(wǎng)保護[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(11):97-103.

[11]王慧芳,何奔騰,時洪禹.多Agent技術(shù)在繼電保護中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(3):102-106.

[12]CHEN J H, CHEN S H, YANG Y M.Multi-agnet based protection relay system for transmission network[J]//International Conference on Machine Learing and Cybemeties, 2003, (4): 2251-2254.

[13]UKIL A,DECK B,SHAH V H. Current-only directional overcurrent relay[J]. IEEE Sensors Journal, 2011,11(6):1403-1404.

[14]GARCIA-GRACIAM, HALABI N E, MONTANES A, et al. Improvement of DEA performance against harmonic distortion [J]. Electric Power Systems Research, 2010, 80(5):582-591.

[15]葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

Protection Scheme for Active Distribution System Based on Multi-agent Technology

WEN Liang，CHEN Zhong，LIAO Jiulin

(Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Power Grid Operation and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract：After distributed power (DG) access to distribution network, which changes the structure of power distribution network and leads to mis-operation and malfunction of protective relays. A multi-agent protective relay is proposed for active distribution grid based on fault current information. The scheme adopts the triple agent control structure, the underlying agency responsible for information collection,policy agency responsible for fault location; the top responsible for the entire network state monitoring. Through analyzing the characteristics of the multiple branch node current fault component phase angle and the mutation direction of the fault before and after the current phase angle on both ends of the line, put forward two kinds of decision making units fault judgement matrix algorithm. The method used the wide-area fault information can not only provide the main protection but also backup protection for adjacent lines and equipment. The simulation results show that the proposed method is correct and feasible.

Keywords：active distribution grid; multi-agent technology; protective relay; matrix algorithm

收稿日期：2016-04-25。

作者簡介：文亮(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為主動配電網(wǎng)保護與控制，E-mail：316782923@qq.com。

中圖分類號:TM773

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.010